მკვლევართა ორმა გუნდმა მიკროსკოპულ დეტალებში შეძლო დაენახა, თუ როგორ წარმოიქმნება ჟანგბადი ფოტოსინთეზის პროცესში. ეს მოვლენაა, როდესაც მცენარეები, წყალმცენარეები თუ ზოგიერთი ბაქტერია მზის სინათლის გამოყენებით საკუთარი ზრდისთვის საჭირო ენერგიას წარმოქმნის. შესაძლოა, ფოტოსინთეზის ამ დონეზე გაგება სუფთა საწვავის შექმნაში დაგვეხმაროს. ორივე ნაშრომი გამოცემა Nature-ში გამოქვეყნდა.

მკვლევრებმა აქამდეც იცოდნენ, რომ ფოტოსინთეზის პროცესის წამოსაწყებად სინათლის სულ ოთხი ფოტონია საჭირო. ამ სინათლის ნაწილაკებს მანგანუმის, კალციუმისა და ჟანგბადის ატომები შთანთქავს. შემდგომში ფოტონები მცენარეში წყლის მოლეკულებს შლის, რაც ჟანგბადს ათავისუფლებს. მიუხედავად ამისა, მეცნიერებმა დიდი ხნის განმავლობაში არ იცოდნენ, თუ რა ხდება ზუსტად, როდესაც ამ კლასტერს მეოთხე ფოტონი ეჯახება. ახლახან ჩატარებული ორი ექსპერიმენტით საკითხზე დამატებითი დეტალები გაირკვა.

იან კერნმა და მისმა კოლეგებმა ლოურენს ბერკლის ეროვნულ ლაბორატორიაში მაღალენერგეტიკული რენტგენის სხივები გამოიყენეს და ფოტოსინთეზის მიკროსკოპული დეტალები დააფიქსირეს. მათ ლურჯ-მწვანე წყალმცენარეებიდან მოლეკულათა კლასტერები აიღეს და ლენტურ ტრანსპორტიორზე განალაგეს. ამის მერე ისინი ხილული სინათლის იმპულსებს დაუქვემდებარეს, რომლებმაც კლასტერები წყლის დაყოფისათვის საჭირო ფოტონებით უზრუნველყო. რენტგენის სხივებმა პროცესში ატომთა განლაგება აღბეჭდა.

მას შემდეგ, რაც ცილათა სისტემას, სახელად Photosystem II-ს (PSII), მეოთხე ფოტონი ეჯახება, იგი წყლის მოლეკულებს წამის მემილიონედებში შლის. რენტგენის სხივების მეშვეობით წყლის დაყოფასა და ჟანგბადის სპეციფიკური მოლეკულების ფორმირებას შორის შეყოვნება დაფიქსირდა. მიუხედავად ამისა, რენტგენული გამოსახულებები ისეთი მკაფიო არ ყოფილა, რომ ჟანგბადატომთა ზუსტი კონფიგურაცია დაენახათ.

მეორე მხრივ, ჟანგბადატომების ირგვლივ PSII მოლეკულათა სხვა ნაწილების განლაგება აჩვენებს, რომ ჟანგბადმა ახლებური სტრუქტურა წარმოქმნა. ამ ფაზაში ჟანგბადის ატომები წყალბადთან ისე არ ყოფილა შეკავშირებული, როგორც წყლის მოლეკულაში იქნებოდა; არ ყოფილა ერთად თავმოყრილიც ისე, როგორც ჟანგბადის შედარებით დიდ მოლეკულაში იქნებოდა. ნაცვლად ამისა, სავარაუდოდ, ისინი PSII-ის სხვა ნაწილთან იყო შეკავშირებული ცოტა ხნით.

როგორც კვლევის ავტორები აცხადებენ, ფოტოსინთეზის პროცესში ეს ეტაპი აქამდე მხოლოდ თეორიის დონეზე არსებობდა.

წყლის დაყოფის პროცესის კულმინაციით ბერლინის თავისუფალი უნივერსიტეტის მეცნიერებიც დაინტერესდნენ. ნაცვლად რენტგენული გამოსახულებების გადაღებისა, მათ ინფრაწითელი სინათლე გამოიყენეს, რათა ატომებს შორის ელექტრონებისა და პროტონების მოძრაობას დაჰკვირვებოდნენ. მათ PSII 40 კილოგრამი ისპანახიდან მოიპოვეს. მას შემდეგ, რაც იგი ხილული სინათლის ფოტონებს დაუქვემდებარეს, მას ინფრაწითელი სინათლეც მიანათეს.

როდესაც PSII-მა ინფრაწითელი გამოსხივება შთანთქა, თითოეული ტალღის სიგრძე კონკრეტული ბმის ვიბრაციას შეესაბამებოდა.

მკვლევრებმა ეს მონაცემები და ის კომპიუტერული სიმულაციები გააერთიანეს, რომლებიც ფოტოსინთეზისას პროტონებისა და ელექტრონების მოძრაობას ასახავს. შედეგად პროცესში ახალი ეტაპი გამოვლინდა, რომელშიც ჟანგბადის ატომებსა და PSII-ის დანარჩენ ნაწილს შორის სამი პროტონი ერთ ელექტრონზე იცვლება.

ზოგიერთი რენტგენული გამოსახულება იმაზეც მიანიშნებს, რომ, შესაძლოა, პროტონის ამგვარი მოძრაობა ორჯერაც კი ხდებოდეს წყლის დაყოფის კულმინაციურ მომენტებში.

ორივე გუნდის მკვლევრებს სურთ, რომ სამომავლოდ პროცესი უფრო დეტალურად შეისწავლონ უკეთესი მეთოდებით — უფრო სწრაფი რენტგენის სხივების, PSII-ის უფრო სუფთა ნიმუშებისა და მეტი ინფრაწითელი სინათლის გამოყენებით.

ფოტოსინთეზის პროცესში წყლის მოლეკულათა დაყოფის შესწავლა ისეთი მოწყობილობების შექმნისთვისაც მნიშვნელოვანია, რომლებიც წყალს წყალბადის საწვავად გარდაქმნის — მართალია, ბიოლოგიურ სისტემას ზუსტად ვერ გავიმეორებთ, თუმცა იგი ერთადერთია, რომელიც წყალს ასე ეფექტიანად ყოფს. შესაბამისად, მექანიზმების საფუძვლიანად შესწავლაა საჭირო.